Moderna e IBM Quantum stanno lavorando per una pipeline biotecnologica con tecnologia quantistica.
Moderna è un'azienda leader nel settore farmaceutico e biotecnologico. Pioniere nei farmaci e nei vaccini a RNA messaggero (mRNA), utilizza molecole mRNA che svolgono un ruolo cruciale nel corpo per curare e prevenire le malattie. Moderna sta attualmente esplorando l'applicazione del quantum computing nella progettazione di farmaci a mRNA attraverso una partnership di ricerca e tecnologia con IBM.
Il corpo umano contiene più di 100.000 tipi di proteine e ogni proteina deriva dall'mRNA. Da decenni gli scienziati sanno che l'mRNA ha il potenziale per costituire la base di una nuova classe di farmaci in grado di trattare le malattie al livello più fondamentale della funzione cellulare. Moderna è all'avanguardia nel mettere in pratica questa conoscenza.
L'azienda ha utilizzato la tecnologia mRNA per addestrare le cellule a produrre proteine che potrebbero aiutare a prevenire o curare malattie finora considerate incurabili.
Sebbene i classici computer siano strumenti potenti per lo sviluppo dell'mRNA, presentano dei limiti nell'affrontare problemi ad alta intensità di calcolo. Il quantum computing offre un nuovo approccio promettente a queste sfide, integrando i metodi classici in cui gli algoritmi attuali raggiungono i propri limiti.
Una sfida chiave per Moderna è lo sviluppo delle istruzioni della tecnologia mRNA che comunicheranno in modo esatto al corpo come produrre le proteine in grado di curare le malattie. Per ogni proteina esiste un numero astronomicamente elevato di possibili sequenze di mRNA che potrebbero codificarla, il che rende l'ottimizzazione un'attività complessa.
Per risolvere un problema medico con l'mRNA, i ricercatori iniziano identificando i meccanismi biologici coinvolti in una malattia e determinando quale proteina potrebbe modulare quel processo. Identificano quindi una sequenza nucleotidica che codifica quella proteina. Oltre a codificare la proteina, i ricercatori devono assicurarsi che la sequenza sia stabile nel corpo. Devono inoltre garantire che possa essere prodotta in quantità sufficienti per essere efficace, senza innescare una risposta immunitaria indesiderata. Ciò richiede una profonda comprensione della chimica cellulare, oltre a una notevole potenza di calcolo, per setacciare i milioni di possibili sequenze nucleotidiche e trovare quella giusta.
Moderna ha un approccio veloce e scalabile a questo lavoro di chimica molecolare, tuttavia l'azienda è sempre alla ricerca di modi per migliorare il processo di sviluppo dei farmaci a base di mRNA. Questa missione ha portato Moderna a migliorare le proprie competenze nel quantum computing, mentre la tecnologia è ormai prossima ad applicazioni utili.
"Il nostro obiettivo è quello di migliorare la salute umana", ha dichiarato Alexey Galda, Associate Scientific Director, Quantum Algorithms and Applications di Moderna. "Riteniamo che sia fondamentale esplorare tutti gli strumenti disponibili, incluso il calcolo quantistico, per scalare i nostri progressi oggi, piuttosto che aspettare che la tecnologia maturi completamente in futuro".
Per prevedere come si comporterà una molecola di mRNA nel corpo, è essenziale comprenderne la struttura secondaria, ovvero il modello di attrazione interna tra i nucleotidi che fa sì che il filamento di RNA si ripieghi in steli, anse e rigonfiamenti. Queste strutture influenzano l'efficienza con cui l'mRNA viene tradotto in proteina, la sua stabilità e il modo in cui interagisce con i meccanismi cellulari.
Ogni sequenza di mRNA può, in teoria, ripiegarsi in un numero astronomicamente elevato di strutture secondarie, anche se solo una frazione di esse è plausibile, date le leggi fisiche che governano il comportamento molecolare. In pratica, la molecola tende ad adottare la struttura con l'energia libera più bassa, la sua conformazione più stabile in condizioni fisiologiche. La previsione di questa struttura comporta la risoluzione di un complesso problema di ottimizzazione combinatoria, il che la rende ideale per gli algoritmi quantistici.
I partner aziendali di IBM stanno esplorando possibili applicazioni per algoritmi quantistici variazionali (VQA) - una classe di algoritmi per la ricerca di applicazioni quantistiche a breve termine, in settori che vanno dalla finanza all'aerospaziale. La ricerca sui VQA e su altri algoritmi euristici è entusiasmante, perché gli algoritmi possono offrire vantaggi quantistici prima dell'arrivo di tecnologie informatiche quantistiche di nuova generazione come la correzione degli errori.
I ricercatori di Moderna e IBM hanno utilizzato il Conditional Value at Risk (CVaR), una tecnica di valutazione del rischio utilizzata in finanza, per migliorare le prestazioni dei VQA e trovare soluzioni ottimali a problemi di ottimizzazione complessi. Il CVaR aiuta gli investitori a valutare il rischio di coda di un portfolio, per stimare la possibile perdita dell'investimento negli scenari peggiori. Nel quantum computing, CVaR concentra il processo di ottimizzazione nella parte inferiore della distribuzione dell'energia, puntando efficacemente alle soluzioni più promettenti. CVaR mitiga la varianza concentrandosi sulla parte a più bassa energia della distribuzione delle misure, indirizzando efficacemente l'ottimizzatore classico verso soluzioni più promettenti e riducendo al contempo la sensibilità agli outlier. Poiché CVaR funziona come una fase di post-elaborazione classica e leggera, è in grado di migliorare i VQA senza aggiungere un carico computazionale significativo.
Il basso sovraccarico computazionale del CVaR rappresenta un vantaggio chiave. Sebbene IBM lavori per sopprimere il rumore a livello hardware, grazie ad architetture migliorate come il processore IBM® Quantum Heron che offre tassi di errore inferiori, spesso sono ancora necessarie ulteriori tecniche di mitigazione degli errori. Queste tecniche richiedono che siano dedicate risorse quantistiche e classiche alla caratterizzazione e alla correzione degli effetti del rumore, il che può ridurre la capacità di calcolo disponibile per risolvere l'effettivo problema scientifico. I VQA basati su CVAR aiutano a ridurre questo carico di lavoro concentrandosi in modo efficiente su risultati di misurazione di alta qualità, utilizzando un'elaborazione classica leggera che consente l'uso di una maggiore capacità di sistema per una computazione significativa.
Attualmente i quantum stanno crescendo rapidamente e stanno diventando più efficaci contro il rumore. Siamo entrati nell'era dell'utility quantistica, dove i computer quantistici possono fornire risultati affidabili su una scala che va oltre i classici metodi di approssimazione basati sulla forza bruta per determinati problemi. Jay Gambetta, Vice President di IBM Quantum, prevede che il mondo vedrà i primi esempi di vantaggio quantistico entro il 2026, a condizione che le community di calcolo quantistico e ad alte prestazioni lavorino insieme per adottare la tecnologia. Una strada verso il vantaggio quantistico è rappresentata dal perfezionamento e dal miglioramento dei metodi euristici. Moderna ha collaborato con IBM per seguire questa strada, rendendo i VQA più pratici, perché capisce che c'è un'opportunità nell'essere tra i primi ad adottare una tecnologia emergente.
"Adottiamo presto le nuove tecnologie perché preferiamo comprenderle nel nostro contesto piuttosto che dover recuperare terreno in seguito", ha affermato Wade Davis, Senior Vice President, Digital di Moderna. "Collaborare con IBM ci ha offerto l'opportunità di vedere cosa poteva fare questo approccio quantistico, anziché aspettare che si manifestasse e poi doverci affrettare per capirlo".
Il team congiunto Moderna-IBM Research ha ottenuto notevoli risultati e ora sta esplorando approcci quantistici alla previsione delle strutture secondarie. In un articolo del 2024 pubblicato in occasione della conferenza IEEE International Conference on Quantum Computing and Engineering, il team ha presentato un approccio quantistico che potrebbe corrispondere ai risultati dei risolutori classici commerciali per i problemi di ottimizzazione combinatoria.
In questa ricerca, il team Moderna-IBM ha applicato i VQA basati su CVAR al problema della previsione della struttura secondaria dell'mRNA. Il risultato è stata una delle esecuzioni dei VQA più grandi e avanzate mai realizzate su hardware quantistico, nonché una dimostrazione del reale potenziale del quantum computing nel supporto alla ricerca di Moderna.
Nel 2024, questo lavoro ha raggiunto una portata da record nella simulazione quantistica delle strutture secondarie, coinvolgendo fino a 80 qubit e lunghezze di sequenze mRNA fino a 60 nucleotidi. Gli autori ritengono che nessuno abbia mai simulato in precedenza nemmeno sequenze di 42 nucleotidi su un quantum computer.
Nel lavoro che sarà pubblicato più avanti nel 2025, i ricercatori hanno applicato la stessa metodologia a problemi di dimensioni fino a 156 qubit che coinvolgono 950 porte non locali, a dimostrazione della complessità del circuito. Hanno anche presentato un nuovo approccio a questo tipo di problema, chiamato ottimizzazione quantistica basata su circuiti polinomiali quantistici istantanei (IQP). Questo approccio basato sul campionamento, simile ai VQA basati su CVAR, consente l'uso più efficiente delle risorse quantistiche e classiche in un ambiente di calcolo ad alte prestazioni (HPC) congiunto.
Immaginare una pipeline biotecnologica quantistica a breve termine
L'obiettivo finale di Moderna non è quello di sostituire l'informatica classica con metodi quantistici, bensì di creare una pipeline biotecnologica abilitata al quantum nel breve termine. "Molto spesso si pensa solo che il quantum sia superiore al classico. Questo non è necessariamente l'obiettivo. È inoltre importante che lo strumento quantum sia in grado di offrire una gamma più diversificata di soluzioni, ovvero un insieme più variegato di molecole da generare e testare in laboratorio", ha affermato Galda. "Disporre di questo strumento aggiuntivo con le sue caratteristiche specifiche è estremamente prezioso per i problemi computazionali che costituiscono i principali workflow nel nostro workflow. Penso che lo scenario più realistico sia che il quantum potenzierà l'informatica classica e offrirà determinati vantaggi in alcuni settori.
IBM immagina che i metodi classici e quantistici possano collaborare per risolvere i problemi più importanti che la società e le aziende devono affrontare. Il supercalcolo quantistico-centrico suddivide i problemi tra architetture quantistiche e classiche, in modo che ciascuna potenzi la capacità dell'altra di fornire rapidamente risultati a problemi un tempo irrisolvibili. Il team IBM–Moderna si sta concentrando su approcci quantum-centrici al problema della struttura secondaria con una portata ancora più grande.
"Lavorare con IBM ci ha offerto l'opportunità di collaborare con un'azienda con una comprovata esperienza nel fornire importanti risultati di ricerca," ha affermato Davis. Nel campo dell'informatica quantistica, era fondamentale che IBM disponesse di una roadmap chiara per lo sviluppo della tecnologia e di una comprovata esperienza nel raggiungimento degli obiettivi prefissati.
Con l'evoluzione del quantum computing, Moderna vuole essere pronta a utilizzarlo per ottenere il massimo impatto possibile sulle persone attraverso i farmaci a base di mRNA.
Fondata nel 2010, Moderna opera all'incrocio tra scienza, tecnologia e salute per creare farmaci a base di mRNA con una velocità ed efficienza senza precedenti. Attraverso il progresso della tecnologia mRNA, Moderna sta reinventando il modo in cui vengono prodotti i farmaci e sta trasformando il modo in cui curiamo e preveniamo le malattie per tutti. L'azienda ha sviluppato uno dei primi e più efficaci vaccini contro il COVID-19, lo Spikevax, e un vaccino contro il virus respiratorio sinciziale (RSV). La piattaforma mRNA di Moderna ha consentito lo sviluppo di terapie e vaccini per malattie infettive, immuno-oncologiche, malattie rare e malattie autoimmuni. Con una cultura unica e un team globale guidato dai valori e dalla mentalità di Moderna per cambiare in modo responsabile il futuro della salute umana, l'azienda si impegna a fornire il massimo impatto possibile sulle persone attraverso i farmaci basati su mRNA.
Legale
© Copyright IBM Corporation 2025. IBM, il logo IBM, IBM Quantum e IBM Research sono marchi o marchi registrati di IBM Corp., negli USA e/o in altri paesi.
Gli esempi presentati sono solo illustrativi. I risultati effettivi varieranno in base alle configurazioni e alle condizioni del cliente e, pertanto, non è possibile fornire i risultati generalmente attesi.